160kA预焙阳极铝电解槽阴极内衬电-热-应力计算机仿真研究

摘要

铝电解槽从通电焙烧、启动到转入正常生产的过程中，电热产生的高温和熔体的电化学作用会导致阴极内衬变形、隆起或开裂，最终因阴极破损(槽破损)而停槽。认识阴极内衬中的电—热—应力的形成与演变规律，进而采取各种有利于实现最佳的温度场与应力场分布的技术措施，对于减少槽破损，提高槽寿命具有重要意义。本文以160kA预焙铝电解槽为研究对象，在充分获取内衬材料物性参数的基础上，以ANSYS作为主要开发工具建立了完整的电-热-应力模型，着重研究了在不同电解工艺技术条件下阴极内衬中电、热分布规律和在不同阴极材质下电、热、应力分布规律。主要的研究内容及成果如下： ①针对稳态条件下的电—热—应力解析问题，运用有限元软件ANSYS建立起三维1/4整槽电—热—应力模型，并且在模型中既考虑了内衬材质的不均所形成的热应力，又考虑了温度梯度热应力和化学应力。与国外研究者所采用的切片模型及假设(即以一个阴极炭块组切片为研究对象，并假定温度场均匀且无化学应力)相比，本文建立的这种1/4整槽模型无论是计算结果的准确性还是研究的全面性均明显提高。 ②运用所建立的三维电热模型，研究了电解工艺条件由高温电解转变为低温电解后阴极内衬的热分布变化。研究表明，采用低温电解工艺，必须加强槽底保温方能保持阴极内衬中理想的温度分布状态。此外，通过研究阴极炭块种类对内衬中电热场的影响，发现随着炭块石墨含量的增加(或石墨化程度的提高)，炭块的温度梯度、炭块中的电压降以及电解槽槽底电压降显著降低，电解质凝固等温线往槽大面和小面方向偏移，但在耐火砖内位置变化不大。 ③在研究了阴极炭块种类对内衬中电热场的影响的基础上，研究了阴极炭块种类对阴极炭块内结构响应值以及应力表征值的影响，并用相应的强度理论判断其安全状况。结果表明，阴极炭块各断面中剪应力分布规律是τ<,xy>>τ<,xz>τ<,xz>，τ<,xy>的最大值出现在端部炭块；阴极炭块中各方向正应力的分布规律是，除端部炭块外，使用石墨含量大于20％的无烟煤-石墨复合炭块(HC<,5>)时，σ<,x.>>σ<,z>>σ<,y>，而使用石墨含量小于20％的无烟煤基炭块(CF<,2>)、石墨质炭块(HC<,10>)、纯石墨化炭块(K)时，σ<,y>>σ<,x>>σ<,z>；随着炭块石墨含量的增加，炭块总位移量、总应变量、X与Z方向最大位移量和最大正应力、XY和XZ面最大剪应力、第一和第四强度理论应力显著减小；而Y方向位移、YZ面的剪应力总体上随着石墨含量的增加而较小，但使用HC<,10>比HC<,5>稍大。炭块石墨含量越高，内衬破损的可能性越小。 ④运用ANSYS建立了焦粒焙烧过程中I／4整槽瞬态电热模型，并对焦粒焙烧过程的前25小时中的电热场形成与变化情况进行了瞬态解析。结果表明，模型基本正确，但需要局部修正。这一研究为下一步的深入研究奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

第二章铝电解槽的电-热和热-应力解析数学物理模型

第三章铝电解槽阴极内衬的稳态电-热-应力分析

第四章焦粒焙烧过程瞬态电-热解析

第五章结语与展望

参考文献

发表的论文及攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢